本发明专利技术公开了一种基于ZnO/GaN异质结结构纳米材料的NO2气体传感器及其制备方法，属于半导体气体传感器技术领域。本发明专利技术的传感器由配有金叉指电极、大小为10 mm*10 mm的Al2O3陶瓷基底与涂覆在金叉指电极上的敏感材料组成。敏感材料为ZnO/GaN异质结结构纳米材料，ZnO材料呈现纳米片形貌，具有多孔的表面，长度为0.8~1.2μm、厚度为10~15 nm；GaN纳米颗粒分布在ZnO纳米片表面，直径约为20~30 nm。本发明专利技术利用氧化锌纳米片增加比表面积，并通过构建异质结构进而有效地提高了传感器对于NO2的敏感特性；这两方面的共同作用大幅提高了传感器的灵敏度；制作工艺简单，体积小，利于批量生产，因而在检测微环境中NO2含量方面有广阔的应用前景。景。景。
【技术实现步骤摘要】
基于ZnO/GaN异质结结构纳米材料的NO2传感器及其制备方法
[0001]本专利技术涉及半导体气体传感器
，具体为一种基于ZnO/GaN异质结结构纳米材料的NO2气体传感器及其制备方法。
技术介绍
[0002]二氧化氮(NO2)是一种有毒、有害且具有刺激性气味的气体，在化石燃料燃烧、工业废气、汽车尾气排放过程中有大量NO2产生。作为评价城市空气质量指数的重要参数之一，如果NO2浓度超标，会带来酸雨等极端天气，造成建筑腐蚀和河流污染。此外，美国环境保护署设定对人体有害的NO2阈值浓度为53 ppb，吸入过量的NO2会导致上呼吸道刺激、迟发性肺水肿，严重者会出现胸闷、呼吸窘迫等症状。因此，有效检测微量浓度的NO2对保护自然环境和人类健康具有重要意义。
[0003]以半导体作为敏感材料的化学电阻式气体传感器与其他气体传感器相比具有灵敏度高、检测下限低、选择性好、响应和恢复速度快、结构简单、价格低廉等优点，是目前应用最广泛的气体传感器之一。随着纳米科学与技术的发展，将气敏材料调控成纳米结构能够极大地提高材料的比表面积，增加活性位点，可以使气敏特性得到改善。另外，通过使两种气敏材料相结合，利用它们之间的协同效应可以使得气敏材料得到进一步改性，从而获得更好的气敏特性。
[0004]GaN作为第三代半导体的典型代表，具有宽禁带宽度、高热导率、高电子迁移率以及能承受较高的能量密度的优点，广泛应用于晶体管、射频元件、宽带通信和传感器领域。然而，GaN的本质缺陷是氮空位，表面氧吸附能力有限，这导致基于GaN的NO2传感器的灵敏度通常很低，选择性差，响应和恢复时间长，而合理控制GaN表面负氧离子的数量是提升其气敏性能的关键。因此，利用GaN与ZnO相复合构成异质结结构，对于GaN材料进一步改性，从而提升其气敏性能至关重要。
技术实现思路
[0005]本专利技术为了解决基于GaN的NO2传感器的灵敏度通常很低，而且选择性差、响应和恢复时间长的问题，提供了一种基于ZnO/GaN异质结结构纳米材料的NO2气体传感器及其制备方法。
[0006]本专利技术利用ZnO/GaN异质结结构纳米材料作为敏感材料，一方面以氧化锌纳米片作为基底，其多孔的表面结构大大加快了气体的吸附和解吸速度，同时为GaN的修饰提供了良好的基体形貌；另一方面ZnO和GaN之间由于费米能级的不同会形成大量的异质结，这些异质结的出现会提供更多的表面吸附氧。这两方面的共同作用大幅提高了传感器的灵敏度。
[0007]本专利技术是通过如下技术方案来实现的：一种基于ZnO/GaN异质结结构纳米材料的NO2气体传感器，由配有金叉指电极、大小为10 mm*10 mm的Al2O3陶瓷基底与涂覆在金叉指电极上的敏感材料组成，所述敏感材料为ZnO/GaN异质结结构纳米材料。
[0008]所述ZnO/GaN异质结结构纳米材料中，ZnO材料为纳米片，具有多孔的表面，长度为0.8~1.2 μm、厚度为10~15 nm；GaN纳米颗粒分布在ZnO纳米片表面，直径约为20~30 nm。
[0009]上述基于ZnO/GaN异质结结构纳米材料的NO2气体传感器的制备是以制备ZnO/GaN异质结结构纳米材料为基础的，因此首先需要制备ZnO/GaN异质结结构纳米材料。一种ZnO/GaN异质结结构纳米材料的制备方法，包括如下步骤：（1）将0.95~1.05 g的乙酸锌和3.45~3.55 g尿素加入到20 mL去离子水中，在室温下磁力搅拌10~20 min得到水热合成前驱体反应溶液；将水热合成前驱体反应溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，在95 ℃下水热反应6 h，待自然冷却至室温后通过离心收集反应产物，再使用去离子水、无水乙醇交替洗涤6次，随后将反应产物放入干燥箱中，70 ℃下干燥6小时；（2）将干燥后的反应产物放入干净的坩埚中并置于管式炉内，在400 ℃下的空气氛围中煅烧一小时，冷却至室温后收集制得的氧化锌纳米材料；（3）将0.24~0.26 g硝酸镓和0.95~1.05 g尿素在研钵里充分研磨，随后转移至管式炉内在800 ℃的氮气氛围下煅烧一小时，冷却至室温后收集制得的氮化镓纳米材料；（4）将175~185 mg步骤（2）制备的氧化锌纳米材料和20.5~21.5 mg步骤（3）制备的氮化镓材料加入20 ml去离子水中，经过10 min超声分散，然后将溶液在室温下磁力搅拌30 min，通过离心收集沉淀，再使用去离子水、无水乙醇交替洗涤6次，随后将反应产物放入干燥箱中，70 ℃下干燥6小时，干燥后收集得到ZnO/GaN异质结结构纳米材料。
[0010]一种基于ZnO/GaN异质结结构纳米材料的NO2气体传感器的制备方法，是以上述ZnO/GaN异质结结构纳米材料的制备方法为基础的，之后的NO2气体传感器的制备步骤为：然后将0.1~0.2 g ZnO/GaN异质结结构纳米材料与0.5~1 ml去离子水混合，并研磨形成糊状浆料，然后蘸取少量浆料均匀地涂覆在金叉指电极上，随后将涂覆完成的金叉指电极放在加热台上，在85 ℃下烘烤30~45 min，待敏感材料干燥后，得到基于ZnO/GaN异质结结构纳米材料的NO2传感器。
[0011]与现有技术相比本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所提供的一种基于ZnO/GaN异质结结构纳米材料的NO2气体传感器及其制备方法：
①
利用简单的水热法和固态热解法制备了GaN纳米颗粒修饰的ZnO纳米片复合材料，合成方法简单，成本低廉；
②
通过将ZnO纳米片和GaN纳米颗粒两种材料相结合形成异质结，极大地增加了材料表面吸附氧数量，提高了对NO2的灵敏度，且具有快速的响应恢复速度、良好的重复性以及低至20 ppb的检测下限，在检测NO2含量方面有广阔的应用前景；
③
器件工艺简单，体积小，利于工业上批量生产，因此具有重要的应用价值。
附图说明
[0012]图1：本专利技术的对比例一与实施例二的SEM形貌图；其中图1（a）为对比例一的SEM图，图1（b）为实施例二的SEM图。
[0013]图2：本专利技术的实施例二制备的ZnO/GaN异质结结构纳米材料的XRD图。
[0014]图3：本专利技术的对比例一、实施例一、实施例二、实施例三的传感器在不同测试温度下对2 ppm NO2的灵敏度对比曲线。
[0015]图4：本专利技术的实施例二的传感器在最佳工作温度下对不同浓度NO2的动态响应曲
线。
具体实施方式
[0016]以下结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。
[0017]一种基于ZnO/GaN异质结结构纳米材料的NO2气体传感器，由配有金叉指电极、大小为10 mm*10 mm的Al2O3陶瓷基底与涂覆在金叉指电极上的敏感材料组成，所述敏感材料为ZnO/GaN异质结结构纳米材料。所述ZnO/GaN异质结结构纳米材料中，ZnO材料为纳米片，具有多孔的表面，长度为0.8~1.2 μm、厚度为10~15 nm；GaN纳米颗粒分布在ZnO纳米片表面，直径约为20~30 本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于ZnO/GaN异质结结构纳米材料的NO2气体传感器，由配有金叉指电极、大小为10 mm
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10 mm的Al2O3陶瓷基底与涂覆在金叉指电极上的敏感材料组成，其特征在于：所述敏感材料为ZnO/GaN异质结结构纳米材料。2.根据权利要求1所述的一种基于ZnO/GaN异质结结构纳米材料的NO2气体传感器，其特征在于：所述ZnO/GaN异质结结构纳米材料中，ZnO材料为纳米片，具有多孔的表面，长度为0.8~1.2 μm、厚度为10~15 nm；GaN纳米颗粒分布在ZnO纳米片表面，直径约为20~30 nm。3.一种ZnO/GaN异质结结构纳米材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）将0.95~1.05 g的乙酸锌和3.45~3.55 g尿素加入到20 mL去离子水中，在室温下磁力搅拌10~20 min得到水热合成前驱体反应溶液；将水热合成前驱体反应溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，在95 ℃下水热反应6 h，待自然冷却至室温后通过离心收集反应产物，再使用去离子水、无水乙醇交替洗涤6次，随后将反应产物放入干燥箱中，70 ℃下干燥6小时；（2）将干燥后的反应产物放入干净的坩埚中并置于管式炉内，在400 ℃下的空气氛围中煅...
【专利技术属性】
技术研发人员：王洪涛，桑胜波，菅傲群，马佳楠，韩丹，柴晓杰，冯智霖，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：
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